Возможности и перспективы развития малой автономной энергетики сегодня широко обсуждаются как на уровне государственных органов, так и в бизнес-сообществе. Сложившаяся терминология в данной области характеризует преимущественно малые автономные тепловые электростанции и централи - мини-ТЭС и мини-ТЭЦ установленной электрической мощностью от 100 кВт до 25 МВт. Строительство таких объектов для обеспечения тепловой и электрической энергией промышленных предприятий и жилищно-коммунальных комплексов целесообразно в тех случаях, когда подключение к централизованным источникам невозможно или крайне затруднительно в силу инфраструктурных или экономических ограничений. Малую автономную или распределенную энергетику нельзя противопоставлять централизованной энергосистеме, а более рационально считать необходимым дополнением к ней.
По различным экспертным оценкам более 50 % территории России не охвачено централизованным энергоснабжением. Такая ситуация ведет к тому, что осложняется развитие данных районов, становится непреодолимо сложным строительство промышленных и сельскохозяйственных предприятий, соответственно приходит в упадок жилищно-коммунальный сектор, пустеют малые города и поселки. При этом существенно возрастает нагрузка на мегаполисы, усугубляя и без того сложную экологическую и социальную обстановку. Поэтому развитие малой энергетики важно не только для государства и бизнеса, но и для населения нашей страны.
Исследования, выполняемые нашим научным коллективом в течение многих лет, позволяют заключить, что краеугольным камнем при принятии решения о строительстве мини-ТЭС является выбор топлива. Этот важный шаг определяет не только структуру технологической схемы, набор оборудования, но и технико-экономические показатели на много лет вперед.
Большая часть действующих и проектируемых мини-ТЭС ориентирована на использование природного газа. Безусловно, природный газ - наиболее экологичное топливо по сравнению с мазутом и углем. Однако эффективность производства энергии на сегодняшний день даже с использование современных газотурбинных установок (ГТУ) и в условиях когенерации, то есть совместной выработки тепловой и электрической энергии, не превышает 40 %. При этом природный газ с гораздо большей эффективностью может использоваться в химической промышленности, авиационном и наземном транспорте. К числу отрицательных аспектов применения природного газа в малой автономной энергетике относятся: высокая степень монополизации его поставок, прогноз значительного роста цен в ближайшие годы и, самое главное, необходимость прокладки газопроводов, что сводит на нет какую бы то ни было автономность энергетического объекта и накрепко привязывает его к единственному поставщику, в том случае, конечно, если это все же возможно по технологическим соображениям.
Что касается жидкого нефтяного топлива, применяемого в энергетике, - мазута, то помимо высокой стоимости, мазут требует значительных энергетических затрат при хранении, транспортировании и подаче на сжигание, поскольку его необходимо с определенной периодичностью подогревать и перемешивать.
Остается третий вид органического ископаемого топлива - твердое. К твердым видам относятся уголь, торф, горючие сланцы. Хотя нами были проведены исследования по использованию различных видов твердого топлива в малой энергетике, в данной работе рассмотрим уголь.
Угольная промышленность в нашей стране представляет собой высокоразвитую отрасль, которая обеспечивает своей продукцией внутренний рынок и экспортные поставки. Запасы угля в России составляют пятую часть от общемировых и оцениваются в 193,3 млрд. тонн. Ежегодно добывается более 300 млн. тонн, увеличивается доля обогащенного угля. При сохранении существующего уровня потребления только разведанных запасов хватит более чем на 500 лет. В отличие от мазута уголь не требует каких либо затрат при хранении, может быть доставлен на станцию в благоприятный по погодным условиям период и храниться в течение достаточно долгого времени. Для различных типов углей длительность хранения согласно нормативной документации составляет от нескольких месяцев до нескольких лет.
Традиционными отрицательными моментами при использовании угля в энергетике считаются высокий уровень выбросов загрязняющих веществ и достаточно сложный и энергоемкий процесс подготовки угля к сжиганию. Однако усилиями ученых и инженеров, в том числе и советских, эти сложности уже давно и успешно преодолены, еще в 40-60-х годах прошлого века. Угольная мини-ТЭС вполне может рассматриваться как высокоэффективный энерготехнологический комплекс с минимальным воздействием на окружающую среду.
Технологический процесс получения энергии
В основе работы мини-ТЭС как на природном газе так и на твердом топливе лежит принцип когенерации. Существуют три основных типа когенерационных установок: газотурбинные, на базе двигателей внутреннего сгорания и парогазовые установки. В качестве первичного двигателя для получения электрической энергии могут применятся газовая турбина, поршневой двигатель либо комбинация паровой и газовой турбины. Для получения тепловой энергии наиболее часто на мини-ТЭС устанавливают котлы-утилизаторы и утилизационные теплообменники.
Процесс подготовки угля к сжиганию является достаточно сложным и включает необходимость проведения следующих операций: сушки, измельчения и термической переработки. Однако в настоящее время создана достаточно обширная база по модернизации громоздких, металло- и энергоемких систем подготовки твердого топлива, что определяет широкий выбор как типовых так и нетиповых технологических решений для систем подготовки на мини-ТЭС.
В качестве основного сушильно-размольного оборудования могут быть использованы: шаровые барабанные, молотковые, среднеходные и мельницы-вентиляторы, в качестве сушилок - паровые трубчатые или барабанные газовые сушилки.
Учитывая современные требования к производству энергии, процесс сжигания твердого топлива в пылевидном состоянии постепенно уступает место экологически чистым технологиям - газификации и пиролизу. Газификация представляет собой процесс термической переработки топлива, при котором происходит взаимодействие углерода топлива с окислителями (кислород, водяной пар, воздух) с образованием горючих газов. До настоящего времени не смотря на изученность данных процессов в нашей стране производство газогенераторов для газификации твердого топлива носит исключительно опытно-промышленный характер. В связи с этим методы расчета и проектирования систем топливоподачи и пылеприготовления должны быть комплексными и универсальными, позволяющими учитывать использование на мини-ТЭС новых видов оборудования.
Процесс получения энергии на мини-ТЭС из угольного топлива существенно отличается по сравнению с природным газом. При использовании твердого топлива необходима установка дополнительного оборудования для его подготовки к сжиганию, а также для очистки полученного в ходе процесса газификации генераторного газа. В то же время очистка генераторного газа в той или иной степени упрощает технологическую схему мини-ТЭС, ввиду того, что отпадает необходимость установки громоздких систем для очистки продуктов сгорания. Перед поступлением в двигатель генераторный газ должен быть охлажден и очищен от частиц угольной пыли, золы, и соединений серы, так как они вызывают износ двигателя и коррозию газопроводов. Важно, что содержащаяся в угле сера при газификации переходит в сероводород, в не в оксиды серы (как при традиционном сжигании угля), что позволяет расширить круг получаемых побочных продуктов.
Выбор того или иного способа очистки газа определятся составом газа, характером и концентрацией примесей. Типовым оборудованием системы очистки генераторного газа на мини-ТЭС, работающей на твердом топливе, являются циклоны, фильтры тонкой очистки газа, скрубберы, адсорберы и абсорберы.
Для очистки от твердых частиц на мини-ТЭС возможно применение циклонов и фильтров. Зола и шлак, образующиеся в процессе газификации топлива, поступают в систему золошалкоудаления. В настоящее время известно довольно большое количество способов по удалению золы и шлака: пневматический, гидравлический, пневмогидравлический, механогидравлический, механическое сухое удаление. В свою очередь удаление золы и шлака может происходить раздельно и совместно. Наилучшим и наиболее известным на сегодняшний день способом повышения надежности систем внутреннего золоудаления является внедрение пневмотранспортных установок, которые при квалифицированном их создании обладают гораздо большей технологической гибкостью по сравнению с системами гидрозолоулавливания.
В литературе описываются различные методы очистки от сероводорода, однако для мини-ТЭС целесообразно применять те из них, которые характеризуются компактностью используемого оборудования. Так, процесс извлечения сероводорода на поверхности активированного угля заключается в его каталитическом окислении до элементарной серы. Данный способ позволяет не только осуществлять процесс регенерации адсорбента и очистки генераторного газа в одном аппарате, а также дает возможность выделения серы в химически чистом состоянии, что позволит в дальнейшем использовать ее в качестве побочного продукта.
После системы очистки генераторный газ направляется на сжигание. Из газообразных топлив наиболее часто в газотурбинных установках используется природный газ, однако в последние годы встречается все больше работ, связанных с возможностью использования в ГТУ низкокалорийных газов, в том числе полученных при газификации угля [1]. Основными отличиями генераторного газа от природного являются:
- меньшая теплотворная способность;
- содержание негорючих веществ, в том числе водяных паров до 60 %;
- более высокая плотность.
При этом основные проблемы перевода топливопитания ГТУ связаны как со схемой включения ГТУ в энергоустановку с газификацией угля, так и с доработкой элементов ГТУ.
В ходе доработки элементов ГТУ при переводе ее на генераторный газ необходимо решение ряда задач по модернизации камеры сгорания, компрессора, турбины и системы автоматического управления. Также требуется изменение конструкции и системы подачи топлива, исследование и отработка самого процесса сжигания и обеспечение устойчивой работы на режимах от холостого хода до максимальной нагрузки, в том числе и при возможных колебаниях химического состава генераторного газа.
В связи с увеличенным расходом топлива необходимо обеспечение запасов газодинамической устойчивости компрессора и регулирование системы отбора воздуха за компрессором и подачи его в газогенератор.
Известны разработки, касающиеся и перевода работы газопоршневых установок с природного газа на низкокалорийные генераторные газы [2-4]. Так, в работе [3] рассматривается возможность работы дизеля на водоугольных суспензиях. Водоугольная суспензия вводится, минуя насос высокого давления, для сохранения работоспособности топливной аппаратуры. Форсунка снабжается твердокристаллическими соплами и имеет систему проточного гидрозапирания. Для обеспечения устойчивого воспламенения используется свеча, детали камеры сгорания снабжаются теплоизоляцией.
Продукты сгорания после генерирующих установок направляются в котел-утилизатор либо утилизационный теплообменник. Образующийся пар может быть направлен потребителям либо использован в качестве рабочего тела в паровой турбине для увеличения выработки электрической энергии.
Помимо этого, для получения тепловой энергии при работе на твердом топливе могут быть использованы традиционные паровые пылеугольные котлы, что также применимо к технологическим решениям для мини-ТЭС.
Надежность мини-ТЭС: оборудование и топливо
Надежность работы автономного источника энергоснабжения - мини-ТЭС определяется следующими основными условиями:
- безотказностью работы оборудования, его долговечностью и ремонтопригодностью;
- возможностью создания запасов и резервов топлива.
Срок службы основного энергогенерирующего оборудования и показатели надежности определяют работоспособность мини-ТЭС. В таблице 1 и 2 приведены основные из них.
Таблица 1. Показатели надежности ГТУ [5]
|
Показатели надежности |
|
|
Средняя наработка на отказ, час |
3500 |
|
Коэффициент технического использования |
0,92 |
|
Коэффициент надежности пусков |
0,95 |
|
Коэффициент готовности |
0,98 |
Таблица 2. Ресурсы ГТУ [5]
|
Ресурсы ГТУ |
|
|
Полный ресурс до списания, тыс. час |
100 |
|
Средний ресурс между капитальными ремонтами, тыс. час |
25 |
|
Средняя трудоемкость капитального ремонта, тыс. нормочас |
8 |
Что касается твердого топлива, то данный энергоресурс как нельзя лучше отвечает показателям надежности и автономности. Благодаря своей распространенности по всей территории нашей страны, уголь является местным видом топлива для многих регионов и поставляется более чем 30 крупными угольными компаниями. Рынок угля в нашей стране не монополизирован и за счет этого не подвержен столь резкому колебанию цен, как для других видов топлива. Угольное топливо в нашей стране сильно различаются по своему составу и свойствам, поэтому для его эффективного использования необходимо разрабатывать различные технологии, адаптированные как к качественным и ценовым характеристикам топлива, так и к запросам потребителей.
Стоимость энергии на мини-ТЭС
Стоимость вырабатываемой энергии на мини-ТЭС является одним из важнейших критериев для потребителей. Высокая стоимость подключения к централизованным электросетям, и постоянное повышение тарифов на электроэнергию, заставляют потребителей все чаще искать другие источники энергоснабжения, и в этом аспекте мини-ТЭС представляется оптимальным вариантом. В таблице 3 приведена стоимость вырабатываемой энергии для двух комплектаций мини-ТЭС при работе на кузнецком угле (при цене на уголь 1500 руб/т у.т.).
Таблица 3. Себестоимость энергии на мини-ТЭС различной мощности [6]
|
Мощность электрическая Nэл., МВт |
Себестоимость электрической энергии Сэл., руб/кВт∙ч |
Себестоимость тепловой энергии Степл, руб/Гкал |
|
Мини-ТЭС с ГТУ, котлом утилизатором и паровой турбиной |
||
|
4,6 |
1,66 |
2441,86 |
|
6,6 |
1,93 |
3941,86 |
|
11,5 |
1,31 |
1674,42 |
|
14,5 |
1,31 |
2255,81 |
|
17,5 |
1,30 |
2453,49 |
|
21,2 |
1,27 |
3848,84 |
|
Мини-ТЭС с ГТУ и котлом-утилизатором |
||
|
4,1 |
1,66 |
2872,09 |
|
6 |
1,92 |
4697,67 |
|
8,6 |
1,78 |
3209,30 |
|
10 |
2,17 |
2523,26 |
|
12 |
1,29 |
2372,09 |
|
16 |
1,29 |
3430,23 |
|
18 |
1,42 |
2779,07 |
|
20 |
1,27 |
6465,12 |
|
25 |
1,21 |
2639,53 |
Согласно данным, представленным в таблице, с увеличением мощности наблюдается постепенное снижение себестоимости вырабатываемой энергии, однако и при небольших мощностей мини-ТЭС стоимость электрической энергии ниже аналогичных данных для централизованной энергосистемы.
Производство химических продуктов на мини-ТЭС
Одним из направлений по стабилизации ценовой политики на мини-ТЭС может стать производство побочных продуктов при условии решения следующих задач:
- определение рынка сбыта и основного круга потребителей производимой продукции;
- поиск и разработка оборудования для получения побочных продуктов в условиях мини-ТЭС;
- интегрирование данных процессов в технологическую структуру мини-ТЭС при условии сохранения компактности размещения оборудования.
На угольной мини-ТЭС возможна организация производство кокса, являющегося ценным высококалорийным топливом, товарной серы, золошлаковых материалов активированного угля, который можно в дальнейшем использовать в фармацевтической и химической промышленности, а также синтетических смол (при проведении процесса пиролиза), основной компонент которых - нейтральные масла служат исходным сырьем для получения фенолов и моторных топлив.
Область использования возможных побочных продуктов на угольных мини-ТЭС довольна широка. Как известно, более половины вырабатываемой в мире серы идет на производство серной кислоты, 25% - на производство серных солей (главным образом, сульфитов). Остальными направлениями применения серы являются химическая (производство серной кислоты, серных солей), резиновая, нефтедобывающая и нефтехимическая отрасли промышленности, а также сельское хозяйство, производство красителей, искусственного волокна, спичек и взрывчатых веществ.
Утилизация золошлаковых отходов на мини-ТЭС может проводится по следующим направлениям:
- производство вяжущих материалов;
- получение гранулированных золошлаковых материалов (ЗШМ);
- использование в дорожном строительстве.
Потребность в качественных сорбентах, каким является активированный уголь, ощущается в каждом регионе нашей страны. Основными направлениями использования активированного угля являются: адсорбция вредных веществ, рекуперация растворителей, удаление радиоактивных газов и паров, очистка диоксида углерода и неорганических, разделение газов, химическая чистке, обогащение и очистка металлов.
В таблице 4 приведены результаты технико-экономической оценки для мини-ТЭС с производством активированного угля, товарной серы и золошлаковых материалов.
Таблица 4. Стоимость электрической энергии и срок окупаемости мини-ТЭС с производством побочных продуктов [7]
|
Угольная мини-ТЭС |
Стоимость электрической энергии, руб./кВт |
Срок окупаемости, лет |
|
- с производством товарной серы |
1,8 |
2,72 |
|
- с производством активированного угля |
1,12 |
2,53 |
|
- с производством золошлаковых материалов |
2,37 |
7 |
Подводя итог вышесказанному, можно сделать вывод, что к настоящему времени в нашей стране существуют все предпосылки для развития малой энергетики, ориентированной на использование твердого топлива. Более того, данные разработки могут составить конкуренцию не только решениям в области использования природного газа, но и стать поддержкой по мощностям как для централизованной энергосистемы в ее слабых местах, так и для предприятий малого бизнеса, нуждающихся в автономном источнике энергоснабжения.
Список литературы
1. Сулимов Д.Д. Газотурбинные установки ОАО «Авиадвигатель» для работы на синтез-газе, полученном в результате газификации угля / Д.Д. Сулимов // Теплоэнергетика. 2010. №2. С. 27-29.
2. Стрельков Ю.И. Перспективы развития дизельных электрических станций / Ю.И. Стрельков, С.В. Шарапов, Д.В. Мельников // Промышленная энергетика. 2011. № 11. С. 28-31.
3. Немков В.В. Древесина, торф, уголь - полноценная и быстроокупаемая замена бензина, дизтоплива, природного газа / В.В. Немков // Труды Международной научно-практической конференции «Малая энергетика-2005». 11-14 октября 2005 г. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.combienergy.ru/stat984.html.
4. Грехов Л. В. Создание и исследование дизеля, работающего на угольных суспензиях / Л.В. Грехов // Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. 1997. №1. С.47-58.
5. ГОСТ 29328-92. Установки газотурбинные для привода турбогенераторов. М.: ИПК Издательство стандартов, 1992.
6. Афанасьева О.В. Перспективы развития малой энергетике на твердом топливе в Республике Татарстан / О.В. Афанасьева, Г.Р. Мингалеева // Энергетика Татарстана. 2011. № 3. С.12-16.
7. Афанасьева О.В. О возможности производства энергии и побочных продуктов на автономных источниках энергоснабжения, работающих на твердом топливе / О.В. Афанасьева, Г.Р. Мингалеева // Энергетик. - 2013. № 12. С. 35-38.
Автор: Г. Мингалеева, д.т.н. О. Афанасьева, к.т.н. Исследовательский центр проблем энергетики ФГБУ науки Казанского научного центр РАН
